Биохимические процессы, протекающие в клетке, объединены одним словом – метаболизм, что равнозначно понятию «обмен веществ и энергии».
Различают две стороны метаболизма: катаболизм и анаболизм, которые протекают одновременно.
Катаболизм (энергетический обмен) - это процесс расщепления сложных веществ с выделением энергии, которая накапливается в форме энергии фосфатных связей: АТФ, АДФ, ГТФ (гуанозин-), УТФ (уридин-), ЦТФ (цитозин-), ацетил-КоА.
Анаболизм(конструктивный обмен) включает две группы биосинтетических процессов: биосинтез мономеров (аминокислот, нуклеотидов, моносахаров, жирных кислот) и биосинтез полимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и липидов). В процессе биосинтеза происходит потребление свободной энергии из АТФ.
Дыхание - это окислительно-восстановительный процесс, идущий с образованием АТФ, при котором одни соединения окисляются, отдавая электроны, а другие восстанавливаются, принимая их. Дыхание называетсяаэробным, если конечным акцептором водорода или электронов является молекулярный кислород, и анаэробным, если конечным акцептором водорода является связанный кислород окисленных соединений (солей азотной, серной, угольной кислот). Факультативные анаэробы развиваются как в присутствии, так и при отсутствии в среде атмосферного кислорода. Микроаэрофилы развиваются при наличии в среде культивирования не более 1% молекулярного кислорода (бруцеллы, лептоспиры).
| О2 | ||
| Облигатные аэробы | Факультативные анаэробы | Облигатные анаэробы |
| Bacillus Azotobacter Нитрификаторы Актиномицеты Плесневые грибы | Bacterium Pseudomonas Молочнокислые бактерии Дрожжи | Clostridium Propionibacterium Bifidobacterium Bacteroides Fusobacterium |
Основной источник энергии у микробов - углеводы. При полном окислении углеводов они расщепляются вначале до пировиноградной кислоты, которая окисляется дальше в цикле трикарбоновых кислот. При переносе электронов по дыхательной цепи молекулярный кислород восстанавливается до Н2О. При полном окислении одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ (две молекулы дает гликолиз, 2- цикл Кребса и 34 – дыхательная цепь). При избытке углеводов в среде может происходить неполное окисление с накоплением глюконовой, яблочной, фумаровой, лимонной, молочной, уксусной кислот.
Дыхание у бактерий происходит по типу прямого окисления с помощью оксидаз или непрямого окисления путем дегидрирования (отщепления двух протонов – Н+) при помощи дегидрогеназ. Дегидрогеназ у бактерий несколько и они называются по донору водорода (алкогольдегидрогеназа, лактатдегирогеназа). Дегидрогеназы переносят водород на один из двух коферментов – НАД+ (никотинамиадениндинуклеотид) или НАДФ+. Первый переносит водород на предшественники брожения или в дыхательную цепь, второй участвует в основном в биосинтезе.
Аэробное дегидрирование происходит в присутствии кислорода, который является акцептором водорода и в зависимости от набора ферментов образуются вода или перекись водорода. Поскольку перекись токсична для бактерий, она моментально разлагается каталазой или пероксидазой. Облигатные анаэробы не образуют ферментов каталазы и пероксидазы, инактивирующих перекись водорода, образующуюся бактериями в присутствии кислорода, и, поэтому, присутствие кислорода для них токсично.
Анаэробное дегидрирование осуществляется в отсутствии молекулярного кислорода, акцепторами водорода в данном случае являются азот, углерод, сера. Они легко соединяются с водородом, восстанавливаясь до аммиака, метана, сероводорода.
Брожение- это процесс, при котором и донором и акцептором электронов являются органические соединения. При брожении выделяется во много раз меньше энергии, чем при аэробном дыхании. Конечными продуктами брожений являются органические кислоты, спирты, ацетон.